Suivi de la trajectoire neurodéveloppementale des oscillations de la bande bêta avec la magnétoencéphalographie à base de magnétomètre pompé optiquement

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研究示意图

Contexte de la recherche

Les oscillations neuronales sont une composante fondamentale de la fonction cérébrale, capable de coordonner l’activité électrophysiologique au sein et entre les assemblages neuronaux, ce qui est crucial pour la réalisation de la cognition et du comportement. Au cours du développement des enfants, le développement de ces processus neuronaux n’est pas seulement une question importante en neurosciences, mais peut également révéler les mécanismes potentiels des troubles neuropathologiques et psychiatriques. Cependant, la mesure de la trajectoire de développement des oscillations neuronales est limitée par les équipements disponibles.

Source de l’article

Cet article est rédigé par Lukas Rier, Natalie Rhodes, Daisie O Pakenham et autres, les auteurs sont respectivement affiliés à l’Université de Nottingham et à l’Hôpital pour enfants malades de Toronto. L’article a été publié le 4 juin 2024 dans la revue « eLife », et est intitulé « Tracking the neurodevelopmental trajectory of beta band oscillations with optically pumped magnetometer-based magnetoencephalography ».

Objectif de la recherche

L’objectif de cet article est de tester une nouvelle plateforme d’imagerie — un système de magnétoencéphalographie (Magnetoencephalography, MEG) basé sur des magnétomètres à pompage optique (Optically Pumped Magnetometer, OPM) — dans l’étude des oscillations neuronales au cours du développement cérébral. La recherche présente un dispositif OPM-MEG unique à 192 canaux, qui s’adapte à différentes tailles de tête et peut maintenir une haute fidélité de collecte de données même lorsque les sujets se déplacent.

Méthodologie de la recherche

a) Processus de recherche

Cet article comprend plusieurs étapes expérimentales :

  1. Conception de l’expérience et équipement : L’expérience repose sur un système OPM-MEG à 192 canaux, comparant les résultats entre les enfants et les adultes. L’équipement comprend des casques adaptés imprimés en 3D, pesant entre 856g et 906g, et dotés d’un système de contrôle de température interne pour assurer le confort.
  2. Participants : L’expérience implique 27 enfants âgés de 2 à 13 ans et 26 adultes âgés de 21 à 34 ans. Les sujets reçoivent une stimulation somatosensorielle passive, avec des stimulations du doigt et du petit doigt droit durant chacune 0,5 seconde et se répétant toutes les 3,5 secondes, pour un total de 42 répétitions.
  3. Collecte et prétraitement des données : Les données passent d’abord par une détection et élimination des bruits et artefacts, puis un filtrage passe-bande (1-150Hz), une estimation du spectre de puissance et un débruitage avec l’algorithme ICA. Ces données sont ensuite analysées pour construire des spectres temps-fréquence et calculer des matrices de connectivité fonctionnelle.
  4. Algorithmes et outils d’analyse : Ils incluent le filtre spatial LCMV beamformer, la méthode statistique de Pearson, la corrélation d’enveloppe d’amplitude (Amplitude Envelope Correlation, AEC), et le modèle de Markov caché (HMM).

b) Résultats principaux

  1. Relation de modulation de l’onde β avec l’âge : L’étude trouve que, avec l’âge, l’amplitude de modulation de l’onde β avec la stimulation du doigt et du petit doigt augmente de manière significative. La modulation des ondes β est plus faible chez les jeunes enfants, tandis qu’elle est particulièrement notable chez les adultes.
  2. Connectivité fonctionnelle de l’ensemble du cerveau : La connectivité fonctionnelle est nettement plus forte chez les adultes et augmente significativement avec l’âge, en particulier dans les régions préfrontales et pariétales, tandis que les changements sont minimes dans le cortex visuel.
  3. Modèle des rafales pour expliquer la dynamique des ondes β : L’étude montre que la modulation des ondes β induite par les tâches est en réalité entraînée par la probabilité d’apparition d’événements de rafales spectrales. Avec l’âge, ces périodes de rafales deviennent plus apparentes. De plus, les caractéristiques spectrales varient entre les groupes d’âge.

c) Conclusion et importance de la recherche

La recherche propose une nouvelle plateforme basée sur OPM-MEG pour étudier le développement neuronal chez les enfants, en soulignant des améliorations significatives en termes de précision et d’opérabilité, surmontant les limitations des MEG et EEG traditionnels. Les données présentées non seulement valident leur cohérence avec les études existantes, mais offrent également de nouvelles perspectives neuroscientifiques, révélant les trajectoires de développement des oscillations des ondes β et les mécanismes des changements de connectivité fonctionnelle.

d) Points forts de la recherche

  1. Technologie d’imagerie innovante : Première étude de grande envergure utilisant le système OPM-MEG pour rechercher le développement neuronal, montrant les avantages de l’appareil en termes de fidélité des données et d’adaptabilité.
  2. Analyse détaillée par tranche d’âge: Elle comprend non seulement l’adolescence, mais aussi les nourrissons, les jeunes enfants et les adultes, exposant une trajectoire complète de développement neuronal.
  3. Modèle de modulation de l’onde β basé sur l’activité des rafales : Offre une nouvelle perspective pour expliquer le phénomène des oscillations neuronales, suggérant que l’augmentation des activités de rafales induites par les tâches change avec l’âge.

Informations additionnelles de l’article

  1. Avantages de la conception du système: Plusieurs tailles de casques peuvent s’adapter aux participants de différents âges, réduisant considérablement les erreurs de mesure.
  2. Fiabilité des données: Un processus de collecte et de prétraitement de données de haute qualité assure la fiabilité et la reproductibilité des résultats expérimentaux.
  3. Applications futures: Fournir de nouveaux moyens potentiels pour comprendre et intervenir dans les maladies du développement neuronal chez les enfants, comme l’autisme et l’épilepsie.

Grâce à cette méthode de recherche et cette conception expérimentale, cet article montre le potentiel immense du OPM-MEG dans la recherche sur le développement neuronal, offrant une base solide pour son application future dans la recherche en neurosciences infantiles.